Kann jemand den WIRKLICHEN Grund erklären, warum CO22_2 die globalen Temperaturen erhöht (nicht die vereinfachte Treibhausanalogie, die für den öffentlichen Verbrauch bereitgestellt wird)?

Der Infrarot-Absorptionsprozess ist also bereits vollständig gesättigt, und somit führt ein weiterer Anstieg des atmosphärischen CO2 zu keiner zusätzlichen Absorption.

1. Es gibt keinen vollständig gesättigten Absorptionsprozess des$\mathrm{CO}_2$Linie.

Lassen$I_{\nu}(\nu)$sei die spektrale Verteilung der Nahinfrarotemission, die ein Beobachter messen würde, nachdem sie eine Atmosphärenschicht durchquert hat.

Wenn eine bestimmte Intensität$I_{\nu, 0}$wird vom Boden mit einer Frequenz emittiert$\nu = \nu_0$, wird die Transmission der Moleküllinie durch die Strahlungstransportgleichung beschrieben:

$I_{\nu}(\nu) = I_{\nu, 0}(\nu) \left( 1 - \mathrm{exp}(-\tau(\nu)) \right)$

Wo$\tau(\nu)$ist die mit der Gasschicht verbundene optische Tiefe, abhängig sowohl von der Menge der Absorptionsmittel entlang der Sichtlinie (in unserem Fall$\mathrm{CO_2}$Moleküle) und die Frequenz. Die Frequenzabhängigkeit der Linienopazität lässt sich wie folgt schreiben:

$\tau(\nu) = \tau_0 \mathrm{exp} (-(\nu - \nu_0)^2 / 2\sigma^2)$

Wo$\tau_0$ist die zentrale Opazität (bei$\nu = \nu_0$), in direktem Zusammenhang mit der Säulendichte von$\mathrm{CO_2}$($\tau_0 \propto N_{\mathrm{CO_2}}$[$\mathrm{cm^{-2}}$]),$\nu_0$ist die Mittenfrequenz der Absorptionslinie und$\sigma$ist die intrinsische Geschwindigkeitsdispersion des Gases. Diese Gaußsche Verteilung der Linienopazität gilt für ein Gas mit intrinsischer Maxwellscher Geschwindigkeitsverteilung. (Weitere Informationen finden Sie unter Doppler-Effekte in der Emissionslinie von Molekülen )

Auf der Abbildung unten habe ich die spektrale Verteilung der Menge erzeugt$\left( 1-I_{\nu}(\nu) \right) / I_{\nu, 0}$um die Menge an Strahlung darzustellen, die von einer Atmosphärenschicht absorbiert werden kann. Der einzige Parameter, der zwischen den verschiedenen Kurven variiert, ist$\tau_0$, die Opazität bei$\nu = \nu_0$.

Wir können zwei Regime klar unterscheiden:

• Optisch dünnes Regime ($\tau_0 \ll 1$) ( nicht gesättigt ): Dies sind die roten Kurven, die mit erhalten wurden$\tau_0 = 0.1, 0.25, 0.5$. In diesem Regime wird die absorbierte Strahlungsmenge durch$\mathrm{CO_2}$wächst linear mit$\tau_0$, dh mit einer Säulendichte von$\mathrm{CO_2}$.

• Optisch dickes Regime ($\tau_0 \gg 1$) ( gesättigt ): Dies sind die schwarzen Kurven, die mit erhalten werden$\tau_0 = 10, 30$. Wie Sie sehen können, ist die Absorption in der Linienmitte effektiv gesättigt (at$\nu = \nu_0$), aber die Opazitätsverbreiterung der Linienflügel lässt die Menge der absorbierten Strahlung auf nichtlineare Weise wachsen.

(Hinweis: Dies liegt daran, dass wir die Hochgeschwindigkeitsflügel der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung von bevölkern$\mathrm{CO_2}$Moleküle in der Atmosphäre. In der Tat, die Verbesserung von$\mathrm{CO_2}$Die Säulendichte stellt eine proportional größere Anzahl von Molekülen bereit, die hohe Geschwindigkeitsabweichungen haben dürfen, wodurch sie eine starke Doppler-verschobene Emission haben. Die bei emittierten Photonen$\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}$durch diese Hochgeschwindigkeit$\mathrm{CO_2}$Moleküle breiten sich in einem optisch dünnen Medium aus, weil$\tau(\nu = \nu_0 + \Delta \nu_{\mathrm{Doppler}}) \ll \tau(\nu)$.)

Wenn wir die Fläche unter den verschiedenen Kurven der vorherigen Abbildung summieren, erhalten wir die folgende Beziehung zwischen der Absorptionsmenge und der Deckkraft der Linienmitte$\tau_0$:

Die schwarzen Markierungen entsprechen der Fläche jedes Linienprofils in der ersten Abbildung. Wie Sie sehen können, ist im gesättigten Bereich eine Erhöhung der Säulendichte (was zu einer Erhöhung von$\tau_0$) vergrößert die Fläche, dh die Menge der von der Atmosphärenschicht absorbierten Nahinfrarotstrahlung. Der einzige Unterschied zwischen dem optisch dünnen und dem gesättigten Regime ist die Rate, mit der die Verstärkung stattfindet (linear gegenüber logarithmisch). Die Steigung ist im gesättigten Bereich tatsächlich viel geringer, was für uns sehr günstig ist .

Diese Erklärung ist jedoch technisch nicht korrekt, da bei den gegenwärtigen atmosphärischen CO2-Konzentrationen nur ein Kilometer Atmosphäre ausreicht, um die gesamte von der Erde emittierte Infrarotstrahlung bei den Wellenlängen, bei denen CO2 absorbiert, vollständig zu absorbieren.

2. Ich glaube, es gibt ein Missverständnis darüber, wie der Treibhauseffekt hier funktioniert.

Wir können nicht von einer einzelnen Atmosphärenschicht einer bestimmten Breite in einer bestimmten Höhe ausgehen. Dabei ist der Wärmehaushalt der gesamten Atmosphäre zu berücksichtigen. Dass 1 km Atmosphäre die gesamte von der Erde emittierte Infrarotstrahlung, von der Sie sprechen, vollständig absorbiert, absorbiert nicht nur das Herz, sondern verliert es auch. Die gesamte Energie, die irgendwann vom Medium absorbiert wird, wird über Strahlungsverluste in beide Richtungen (zur Erde und zu den oberen Schichten der Atmosphäre, wo sie übertragen wird) wieder abgestrahlt. Wenn die untere Troposphäre gesättigt ist$\mathrm{CO_2}$Wie Sie behaupten, ist dies nicht unbedingt der Fall für die obere Troposphäre, die mit dieser ständig Wärme austauscht. Was die Energiebilanz in der Atmosphäre bestimmt, ist eigentlich die Strahlungsbilanz in der oberen Troposphäre, wo Strahlungsverluste in den Weltraum emittiert werden, wo sie entweichen können. Ich würde sagen, dass die$\mathrm{CO_2}$Konzentration ist dort viel entscheidender als in der unteren Troposphäre.

^{Eine ausführliche Darstellung des Opazitätsverbreiterungsprozesses in einem astrophysikalischen Rahmen finden Sie in Abschnitt 2 dieses Papiers https://arxiv.org/pdf/1603.08521.pdf . Dies ist ein Artikel über die Opazitätsverbreiterung der CO-Linie in Molekülwolken, aber die Physik ist die gleiche.}

^{Siehe auch http://www.pas.rochester.edu/~ebubar/CurvesOfGrowth.pdf für eine Darstellung der Wachstumskurve im Rahmen von Sternatmosphären.}

Die Temperatur der Erde wird durch das Energiegleichgewicht bestimmt: Die Erde muss heiß genug sein, damit die ausgehende Energie die von der Sonne einfallende Energie ausgleicht. Wenn sich die Erde wie ein schwarzer Körper mit Albedo verhält$\alpha$, dann ist die Temperatur der Erde gegeben durch

Denn der Treibhauseffekt (in einer optisch dichten Atmosphäre wie unserer) wird durch die vertikale Struktur der Atmosphäre verursacht.

Wenn wir durch die Atmosphäre aufsteigen, wird die Atmosphäre immer weniger dicht. Je weniger dicht die Atmosphärenschicht ist, desto mehr Strahlung, die von dieser Schicht emittiert wird, erreicht den Weltraum. Von der Oberfläche gelangt im Wesentlichen keine Strahlung in den Weltraum, höher ist dies jedoch weniger der Fall. Wir können uns eine „effektive Strahlungsschicht“ vorstellen (dies entspricht ungefähr der Stratosphäre), in der alle Strahlung, die ins All gelangt, aus dieser Schicht stammt. Dadurch hat diese Schicht Temperatur$255\mathrm{K}$.

Die zweite Tatsache über die vertikale Struktur, die wir brauchen, ist die Stornorate . Dies sagt Ihnen, wie schnell die Temperatur mit der Höhe abfällt. Es ist eine der ersten Berechnungen, die Sie in einem Kurs über atmosphärische Thermodynamik durchführen, und es stellt sich heraus, dass dies für eine trockene Atmosphäre gilt

Kombinieren Sie jetzt diese Fakten, wenn es so ist$255\mathrm{K}$Hoch oben in der Atmosphäre muss es an der Oberfläche heißer sein – das ist der Treibhauseffekt. Wenn Sie jetzt eine Ladung von entleeren$\mathrm{CO_2}$in die Atmosphäre machen Sie die Atmosphäre dichter und erhöhen den effektiven Strahlungspegel, aber die Abfallrate bleibt unverändert , also muss die Erde entsprechend heißer sein!

Andrew Dessler hat dazu ein nettes Video .

Ich habe hier viele Details durchgespielt, aber konzeptionell ist das richtig.

Entgegen der Behauptung, der Treibhauseffekt sei kompliziert, ist er eigentlich ganz einfach. Die Definition des IPCC im Glossar von AR5 WG1 ist in Ordnung, kann aber mit Hilfe der fünften Abbildung unter http://clim8.stanford.edu/Images/ noch deutlicher gemacht werden . Alle Treibhausgase funktionieren auf diese Weise, es besteht keine Notwendigkeit, bestimmte Absorptionslinien zu berücksichtigen, es sei denn, Sie verwenden sie, um die Klimasensitivität ohne Rückkopplung für eine bestimmte Art eines bestimmten Moleküls abzuschätzen, was experimentell äußerst schwierig zu bestätigen ist.

ZeroTheHero hat vorgeschlagen, dass ich das erweitere, also los geht's. Obwohl ich mir jetzt die Antwort von jobal6 ansehe, sehe ich nicht, dass meine Antwort unten viel dazu beiträgt.

Langwellige Strahlung in der Atmosphäre, die für den Treibhauseffekt (GHE) relevant ist, wird in drei Arten unterteilt, Downwelling, Upwelling und Outwelling, bzw. DLR, ULR und OLR.

OLR ist das, was in den Weltraum entweicht. Es ist zu 100% dafür verantwortlich, die Erde im thermischen Gleichgewicht mit der Sonne zu halten, dem Zustand, in dem OLR gleich der absorbierten Sonnenstrahlung ist (der Anteil 1-A, der nicht in den Weltraum zurückreflektiert wird, wobei A die Albedo der Erde ist, nominell 0,3).

Abgesehen von Linseneffekten, die Luftspiegelungen verursachen, teilt sich die gesamte langwellige Strahlung in der Atmosphäre in DLR und ULR auf, je nachdem, ob sie unter oder über den Horizont zeigt. (Zumindest würde ich es so definieren, Ihre Laufleistung kann variieren.)

ULR ist ein Kandidat dafür, OLR zu werden, was es tut, wenn es nicht von einem Treibhausgas (GHG)-Molekül oder einem Aerosolpartikel absorbiert wird. Andernfalls erwärmt es entweder das absorbierende Molekül oder Partikel und gibt es dadurch der Erdwärme zurück, oder es wird in eine zufällige Richtung zurückgestrahlt (z. B. stimulierte Emission?).

DLR unterscheidet sich von ULR nur darin, dass nichts davon direkt zu OLR werden kann. DLR wird zu 100 % entweder von der Oberfläche absorbiert oder verhält sich ansonsten in jeder Hinsicht genauso wie der Anteil von ULR, der nicht zu OLR wird.

Da dies überraschend erscheinen mag, sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl DLR mit zunehmenden Treibhausgasen zunimmt, wie Sie in den vielen Berichten über Rückstrahlung lesen werden, auch ULR zunimmt, was Menschen, die nicht in Physik geschult sind, tendenziell übersehen. Was für die Erwärmung der Oberfläche zählt, ist nicht DLR allein, sondern DLR - ULR, da das ULR Wärme abführt, während DLR Wärme beisteuert.

Als Folge von (i) der Stefan-Boltzmann-Beziehung F = σT⁴, (ii) der Tatsache, dass ULR an jedem gegebenen Punkt von einem heißeren Ort stammt als DLR an demselben Punkt, und (iii) die Stornorate eine konstante Temperaturdifferenz beibehält zwischen zwei beliebigen Höhen steigt ULR schneller als DLR, weshalb der Nettoabwärtsfluss DLR – ULR tatsächlich mit zunehmendem CO2 abnimmt .

Das kann also nicht der Grund sein, warum sich die Oberfläche mit zunehmenden Treibhausgasen erwärmt. (Das IPCC weiß das und Sie werden nichts über Rückstrahlung in AR5 WG1 finden. Es ist auch nicht in Abbildung 7 von Kiehl & Trenberth 1997, die ULR > DLR zeigt, was oft übersehen wird.)

Der Grund, warum sich die Oberfläche erwärmt, liegt darin, dass zunehmende Treibhausgase es für ULR schwieriger machen, OLR zu werden. Dadurch wird mehr Wärme eingefangen, die nicht nur die Oberfläche, sondern auch die Atmosphäre und die ozeanische Mischschicht OML ausreichend erwärmt, um ULR zu erhöhen, bis der Anteil, der zu OLR wird, wieder auf das Niveau gebracht wird, das erforderlich ist, um die Erde im thermischen Gleichgewicht mit der Sonne zu halten.

Die thermische Trägheit der Oberfläche, der Atmosphäre und insbesondere der OML reicht aus, damit das thermische Gleichgewicht Jahrhunderte dauert. Aus diesem Grund ist die Gleichgewichts-Klimasensitivität, ECS, höher als die transiente Klimareaktion, TCR, der nur 70 Jahre zum Aufwärmen zur Verfügung stehen.

Man würde auch erwarten, dass die Tiefsee ein weiteres Hindernis für das Gleichgewicht darstellt. Der knifflige Teil dabei ist, dass der tiefe Ozean eine weitaus größere thermische Trägheit hat als die OML, während er auch besser mit den Eiskappen verbunden ist als mit der OML, nämlich über die tausendjährige Reise des Förderbandes des großen Ozeans. Dies macht die Eiskappen selbst zum eigentlichen weiteren Hindernis für das Gleichgewicht. Grundsätzlich bleibt der tiefe Ozean kalt, sodass die OML den Anschein eines thermischen Gleichgewichts erreichen kann .

Irgendwann schmelzen die Eiskappen, was meiner Meinung nach zumindest einige Leute mit Empfindlichkeit des Erdsystems meinen (aber ich bin da etwas vage, vielleicht können Klimamodellierer hier eingreifen). Offensichtlich dauert dieses Gleichgewicht viel länger als das mit ECS verbundene Gleichgewicht, da es eine Menge Eis zu schmelzen gibt.

Ich denke, dies deckt den grundlegenden Treibhauseffekt, GHE, ab. Zum Klima gehört noch viel mehr, aber GHE ist der Teil, der grundlegend für die globale Erwärmung verantwortlich ist.

„nicht die simplifizierende Gewächshaus-Analogie für den öffentlichen Konsum“

Joseph Fourier ist für die Analogie verantwortlich. Es ist eine viel bessere Analogie, als man ihr heutzutage normalerweise zutraut. Zunächst einmal verhindert die Erdanziehungskraft, dass die Erdatmosphäre in den Weltraum gelangt, genauso wie das Glas eines Gewächshauses verhindert, dass seine Luft in die Umgebung gelangt. Und zweitens brauchen Gewächshäuser Fenster, die geöffnet werden können, weil ohne sie die im Glas eingeschlossene Wärme tagsüber die Pflanzen überhitzen würde, was ohne Gewächshaus, aber mit völlig bewegungsloser (nicht konvektiver) Luft kein Problem wäre .

Der Louvre in Paris hat das Treibhauseffektproblem im Überfluss, sowohl im Haupteingang unter der Glaspyramide von IMPei (ich habe es selbst ins Schwitzen gebracht, es ist an einem sonnigen Tag schrecklich) als auch im glasüberdachten Cour Marly im Inneren.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass, obwohl die Erdatmosphäre tausendmal dicker als eine Glasscheibe ist, CO2 mit 1000 ppm, wenn es auf Trockeneis gekühlt wird, die Erde mit einer zentimeterdicken Schicht bedecken würde. 400 ppm sind also eine ausgezeichnete Annäherung an eine 4 mm dicke Glaskugel, die irgendwie über der Erde hängt.

FWIW, hier ist meine Antwort von der Earth Sciences SE, der Schlüssel liegt darin, sich darauf zu konzentrieren, wie Energie den Planeten verlässt, und nicht auf das Schicksal von IR-Photonen, die von der Oberfläche emittiert werden:

In Anlehnung an eine meiner anderen Antworten ist der grundlegende Mechanismus des Treibhauseffekts ungefähr wie folgt (beachten Sie, dass dies auch ein vereinfachtes Modell ist):

Die Erde befindet sich (in jeder Hinsicht) in einem Vakuum, sodass sie Wärme nur durch Strahlung gewinnen oder verlieren kann. Die Sonne gibt den größten Teil ihrer Strahlung bei sichtbaren und UV-Wellenlängen ab. Die Erdatmosphäre ist bei diesen Wellenlängen ziemlich transparent, und daher geht die Sonnenstrahlung hauptsächlich durch sie hindurch und trifft auf die Oberfläche. Ein Teil dieser Strahlung (bestimmt durch die Albedo der Erde) wird von der Oberfläche zurück in den Weltraum reflektiert, aber der Rest wird von der Oberfläche absorbiert, wodurch die Oberfläche erwärmt wird. Die Oberfläche verliert Wärme durch Strahlung in Infrarotwellenlängen. Treibhausgase absorbieren einen Teil der IR-Strahlung, wodurch sich die Atmosphäre erwärmt (die Treibhausgasmoleküle übertragen einen Teil dieser Wärme durch Kollisionen auf Nicht-Treibhausgase, aber die Wärme wird auch durch Konvektion nach oben übertragen). Die warme Atmosphäre strahlt einen Teil dieser Energie sowohl nach oben in den Weltraum als auch nach unten zurück an die Oberfläche. Der nach unten abgestrahlte Anteil wird auch als „Rückstrahlung“ bezeichnet (und ist direkt beobachtbar). Nun ist der wichtige Faktor nicht die Menge des von der Oberfläche abgestrahlten IR, die absorbiert wird, sondern die Höhe, in der es nicht genug Treibhausgase darüber gibt, um das von dieser Schicht nach oben abgestrahlte IR zu absorbieren, so dass es in den Weltraum entweichen kann. Die Stornorate bedeutet, dass die Temperatur der Atmosphäre mit zunehmender Höhe abnimmt. Das heißt, je mehr CO2 wir in die Atmosphäre einbringen, desto höher wird diese Emissionsschicht und desto kälter wird es. Da die abgestrahlte IR-Menge von der Temperatur dieser Schicht abhängt, nimmt die vom Planeten abgestrahlte IR-Menge ab, wenn diese Höhe zunimmt. Dies führt zu einem Energieungleichgewicht, bei dem der Planet mehr Sonnenstrahlung absorbiert, als er als IR abgibt, und so erwärmt sich der Planet. Dies setzt sich fort, bis sich die Strahlungsschicht ausreichend erwärmt hat, damit das ausgehende IR im Gleichgewicht mit der einfallenden Strahlung der Sonne ist. Je mehr CO2 also, desto wärmer ist die mittlere Oberflächentemperatur, ansonsten sind alle Dinge gleich.

Daher ist es irrelevant, dass das meiste von der Oberfläche emittierte IR von der Atmosphäre absorbiert wird. Entscheidend ist die Höhe, aus der IR nicht absorbiert wird. Wenn es kälter als die Oberfläche ist, wird es weniger IR emittieren als die Oberfläche emittiert und daher wird weniger Energie in den Weltraum abgestrahlt.

Eine ausführlichere Erklärung, warum die Absorption an der Oberfläche von geringer Bedeutung ist, finden Sie in diesem RealClimate- Artikel von Spencer Weart.

Nur um eine historische Anmerkung hinzuzufügen, diese Erklärung geht mindestens bis zu Ekholms Aufsatz von 1901 "On The Variations Of The Climate Of The Geological And Historical Past And Their Causes" zurück:

Die Atmosphäre spielt eine sehr wichtige Rolle mit einem doppelten Charakter in Bezug auf die Temperatur an der Erdoberfläche, auf die zuerst von Fourier, auf die andere von Tyndall hingewiesen wurde. Erstens kann die Atmosphäre wie das Glas eines Gewächshauses wirken, das die Lichtstrahlen der Sonne relativ leicht durchlässt und einen großen Teil der vom Boden emittierten dunklen Strahlen absorbiert und dadurch die mittlere Temperatur der Atmosphäre erhöhen kann Erdoberfläche. Zweitens wirkt die Atmosphäre als Wärmespeicher zwischen dem relativ warmen Boden und dem kalten Raum und dämpft dadurch in hohem Maße die jährlichen, täglichen und örtlichen Schwankungen der Temperatur.

Es gibt zwei Qualitäten der Atmosphäre, die diese Effekte hervorrufen. Die eine besteht darin, dass die Temperatur der Atmosphäre im Allgemeinen mit der Höhe über dem Boden oder dem Meeresspiegel abnimmt, was zum Teil auf die dynamische Erwärmung absteigender Luftströme und die dynamische Abkühlung aufsteigender Luftströme zurückzuführen ist, wie dies in der mechanischen Wärmetheorie erklärt wird . Die andere ist, dass die Atmosphäre, die nur wenig Sonneneinstrahlung und die meiste Strahlung vom Boden absorbiert, einen beträchtlichen Teil ihres Wärmespeichers vom Boden durch Strahlung, Kontakt, Konvektion und Leitung erhält, während die Erdoberfläche wird hauptsächlich durch direkte Sonneneinstrahlung durch die transparente Luft erwärmt.

Daraus folgt, dass die Strahlung von der Erde in den Weltraum nicht direkt vom Boden ausgeht, sondern im Mittel von einer Schicht der Atmosphäre, die eine beträchtliche Höhe über dem Meeresspiegel hat. Die Höhe dieser Schicht hängt von der thermischen Qualität der Atmosphäre ab und variiert mit dieser Qualität. Je größer das Absorptionsvermögen der Luft für vom Boden ausgesandte Wärmestrahlen ist, desto höher wird diese Schicht, aber je höher die Schicht, desto niedriger ist ihre Temperatur relativ zu der des Bodens; und da die Strahlung von der Schicht in den Weltraum umso geringer ist, je niedriger ihre Temperatur ist, folgt daraus, dass der Boden heißer wird, je höher die Strahlungsschicht ist.“

[Ekholm , 1901, S. 19-20]

(h/t Blog -Artikel von Steve Easterbrook )

Die durchschnittliche Zeit, in der ein angeregtes CO2-Molekül eine LR-Infrarotwelle aussendet, beträgt etwa 1 Sekunde oder mehr. Und ein angeregtes CO2-Molekül kollidiert innerhalb weniger Mikrosekunden mit einem anderen Sauerstoff- oder Stickstoffmolekül und verliert bei der Kollision seine Energie. Dies wird in etwa 99,8 % der Fälle geschehen, verglichen mit der Freisetzung eines LR-Photons. Mit nur einem Siegel zwei Moleküle pro 2500 anderen Molekülen in der Atmosphäre scheint es sehr unwahrscheinlich, dass eine signifikante Rückstrahlung zur Erde auftreten wird. CO2 in der Atmosphäre kann nicht die Ursache des Klimawandels sein.